神奇的二氧化硅气凝胶 或重塑火星气候

据物理学家组织网15日报道,人们一直梦想着重塑火星气候,使其适合人类居住。科学家提出了各种方法,但都不能实现。现在,来自美国哈佛大学、喷气推进实验室和英国爱丁堡大学的研究人员提出了一种在局部进行的新方法:在火星表面区域添加一层薄薄的二氧化硅气凝胶。

通过建模和实验,研究人员证明,一块2—3厘米厚的二氧化硅气凝胶就可以传输足够的可见光用于光合作用,阻挡有害的紫外线辐射,并将其下的温度永久地升高到水的熔点之上,而且,实现所有这些都不需要任何内部热源。

哈佛大学环境科学与工程助理教授罗宾·华兹华斯说:“这种使火星宜居的区域方法比改变火星整个大气更容易实现,而且,使用的是现有的材料和技术。”

与地球上由冰冻水制成的极地冰盖不同,火星上的极地冰盖是水冰和冰冻二氧化碳的组合。冰冻的二氧化碳可以在捕获热量的同时让阳光穿透。在夏季,这种固态温室效应会在冰下产生一些温暖,有望使水变成液态。

在此自然现象的启发下,华兹华斯说:“我们开始考虑这种固态温室效应,问题是找到一种材料可以最大限度地降低导热性,但仍能传输尽可能多的光线。”

他们将目光对准了二氧化硅气凝胶——一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料,其孔隙率高达80%—99.8%。利用模拟火星表面的实验,研究人员证明,薄薄一层二氧化硅气凝胶就可将火星中纬度的平均温度提高到类似地球的温度。

华兹华斯说,这种材料可用于在火星上建造宜居的圆顶甚至自给自足的生物圈。接下来,他们计划对地球上类似火星气候的地区——例如南极洲或智利的干燥山谷等进行测试。

喷气推进实验室的劳拉·科伯表示:“火星是太阳系中除地球外最宜居的行星,但它的环境仍然不适合大部分生命生存,创建宜居小岛这一方法将使我们能以可控和可扩展的方式改造火星。”

气凝胶是一种纳米多孔固体形态物质,因其密度极小,被誉为世界上最轻的固体材料,也被称为“冻结的烟”。气凝胶因其纤细的纳米多孔结构和极大的比表面积,在热学、声学、光学、力学等领域均有突出特性,是改变世界的十大新材料之一。

气凝胶有很多种,其中SiO2气凝胶最为常见,呈半透明淡蓝色,质量超轻类似“固态的烟”。SiO2气凝胶作为多孔材料的典型,内部大部分空间被空气(或其它气体)填充,其骨架的体积仅占总体积的0.15%～15%。气凝胶的平均孔径约25nm,空气分子(自由程50~70nm)在其间无法自由运动;另外,气凝胶骨架内部有许多“死胡同"般大小不一的闭孔,这增加了气凝胶固体热传输的路径,因此气凝胶是热的不良导体。SiO2气凝胶具有多孔结构,直径为3～8nm左右的初级粒子相互团簇构成。